Zigbee und LoRaWAN im Energiemonitoring: Wann eignet sich welches?

Zigbee und LoRaWAN lösen unterschiedliche Funkaufgaben. Zigbee überträgt häufige Messwerte vieler Geräte innerhalb eines Gebäudes. LoRaWAN überträgt wenige kleine Messungen pro Stunde von weit verteilten Geräten. An vielen Energiestandorten wird beides gebraucht: viele Unterzähler an Verteilungen und einige Gas-, Wasser- oder Tankzähler fern von Stromversorgung und Netzwerk.

In einem EpiSensor-System treten Zigbee-Geräte dem Mesh des ZGW-20 Gateway bei; Edge auf dem Gateway speichert ihre Werte. LoRaWAN-Geräte senden an ein LoRaWAN-Gateway und einen Netzwerkserver. Dieser dekodiert jeden Uplink und gibt die Werte über MQTT oder HTTPS an Edge weiter. Edge führt beide Datenquellen in einem Modell zusammen. Den Netzwerkserver ersetzt es nicht.

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Ein Funkprotokoll ist keine Sicherheitsfunktion. Legen Sie den sicheren Zustand gesteuerter Anlagen mit dem jeweiligen Lieferanten fest, unabhängig vom Befehlsweg.

Zigbee am Standort

Zigbee nutzt IEEE 802.15.4 bei 2,4 GHz. Das Band hat 16 Kanäle mit den Nummern 11 bis 26; ihre Mittenfrequenzen liegen im Abstand von 5 MHz zwischen 2405 und 2480 MHz. Die Bruttodatenrate beträgt 250 kbit/s, ein Frame enthält einschließlich Headern höchstens 127 Byte.

Ein Netz hat einen Coordinator, bei EpiSensor den ZGW-20. Router leiten Frames anderer Geräte weiter. End Devices senden und empfangen nur über ihren übergeordneten Router. Ein schlafendes Endgerät wacht auf, fragt dort gespeicherte Nachrichten ab und schläft erneut. Ein netzversorgtes Gerät ist nicht automatisch ein Router; prüfen Sie seinen Knotentyp im Datenblatt (siehe Knotentypen von Silicon Labs). Jedes netzversorgte EpiSensor-Gerät routet. Es erreicht bis zu 50 m in Gebäuden und 300 m im Freien und erweitert die Funkabdeckung in Gewerbegebäuden durchschnittlich um etwa 1.000 m² Geschossfläche. Ein ZGW-20 bindet bis zu 250 Geräte und 1.000 Sensoren ein.

Bei jedem Hop wird der Frame auf demselben Kanal erneut gesendet. Ein Messwert aus drei Hops Entfernung belegt den Kanal daher dreimal. Eine lange Kette von Routern entlang eines Flurs füllt den Kanal schneller als ein flaches Mesh mit mehreren Wegen zum Gateway.

Zigbee-Kanäle und WLAN planen

Ein 20-MHz-WLAN-Kanal reicht ungefähr ±10 MHz um seine Mittenfrequenz. WLAN-Kanäle 1, 6 und 11 liegen bei 2412, 2437 und 2462 MHz. Ihre Bereiche 2402–2422, 2427–2447 und 2452–2472 MHz überlappen Zigbee-Kanäle 11–14, 16–19 und 21–24. Zigbee-Kanäle 15 (2425 MHz), 20 (2450 MHz), 25 (2475 MHz) und 26 (2480 MHz) liegen in den Lücken. Silicon Labs maß für seine 802.15.4-Funkchips eine bis zu 20 dB höhere Toleranz gegenüber einem WLAN-Signal, wenn die Frequenzen weit statt unmittelbar nebeneinander liegen.

Zwei Fälle durchkreuzen diese Planung. In Europa ist WLAN-Kanal 13 (2472 MHz) zulässig und überlappt Zigbee-Kanäle 25 und 26. Ein 40-MHz-WLAN-Kanal ist doppelt so breit wie ein 20-MHz-Kanal. Erfassen Sie die genutzten WLAN-Kanäle vor der Wahl des Zigbee-Kanals und erneut, wenn der Standort Access Points ergänzt.

Zigbee-Fehlerbilder

• Ein Router wird abgeschaltet, zur Wartung getrennt oder entfernt. Seine Endgeräte brauchen einen neuen übergeordneten Router. Ist keiner in Reichweite, melden sie nicht mehr, bis der bisherige Router zurückkehrt.
• Ein Gerät sitzt in einem Stahlgehäuse oder Technikraum mit Stahltür. Die Verbindung zum nächsten Router wird zu schwach. Platzieren Sie einen Router außerhalb des Gehäuses oder versetzen Sie die Antenne.
• Ein neuer WLAN-Access-Point beginnt auf einem Kanal, der Zigbee überlappt. Meldungen vom entfernten Rand des Mesh kommen verspätet oder gar nicht an.

In den Daten sehen alle drei Fälle ähnlich aus: Die letzte Meldung eines Geräts liegt länger als zwei Meldeintervalle zurück. Legen Sie für jedes Gerät ab der Inbetriebnahme einen Alarm auf diesen Zustand.

LoRaWAN am Standort

LoRaWAN nutzt LoRa-Modulation in Sub-GHz-Bändern: 863–870 MHz in Europa (EU868) und 902–928 MHz in Nordamerika (US915). Geräte leiten Nachrichten anderer Geräte nicht weiter. Jeder Uplink erreicht direkt alle LoRaWAN-Gateways in Funkreichweite; diese geben ihn an einen Netzwerkserver weiter. Der Netzwerkserver entfernt Duplikate, prüft den Frame und leitet ihn an die Anwendung.

Der Spreading Factor (SF) bestimmt die Datenrate. Ein höherer SF reicht weiter und verträgt mehr Dämpfung; mit jedem Schritt verdoppelt sich die Sendezeit ungefähr. Die Regionalparameter für EU868 nennen bei 125-kHz-Kanälen:

Jedes EU868-Gerät muss 868,1, 868,3 und 868,5 MHz nutzen. Alle drei liegen im Teilband 868,0–868,6 MHz, für das ETSI bei 25 mW ERP einen Duty Cycle von 1 % begrenzt. Die öffentliche Sandbox von The Things Network setzt zusätzlich eine Fair-Use-Grenze von 30 s Uplink-Sendezeit und 10 Downlinks je Gerät und Tag. Ein privater Netzwerkserver hat diese Fair-Use-Grenze nicht; der Duty Cycle gilt weiterhin.

Die Reichweite hängt von Antennenhöhe, Gelände, Gebäuden und SF ab. Ein Gateway auf einem Mast kann über freies Gelände mehrere Kilometer weit reichen. In Gebäuden und Kellern sollten Sie eher mit Hunderten Metern rechnen. Planen Sie die Abdeckung und prüfen Sie sie danach mit einem Gerät am tatsächlichen Zählerplatz.

Beispiel für die Sendezeit

Ein Zähler sendet 20 Byte Anwendungsdaten. LoRaWAN ergänzt 13 Byte Header und Integritätsprüfung; das Funkpaket hat also 33 Byte. Bei 8 Symbolen Präambel, Coderate 4/5 und aktivem CRC ergibt sich:

Ein 15-Minuten-Intervall ergibt 96 Uplinks am Tag. Bei SF7 bis SF9 passt das zur Sandbox-Fair-Use-Grenze, ab SF10 nicht. Ein Zähler in einer Kellerkammer, der nur mit SF12 verbindet, kann in der Sandbox ungefähr alle 90 Minuten senden. Je Meldung benötigt er dabei auch etwa 25-mal so viel Sendeenergie wie mit SF7; die Batterieschätzung muss den tatsächlich erreichten SF verwenden.

Mit dem vollständigen 33-Byte-Funkpaket dieses Beispiels können Sie die Sendezeit berechnen. Eine Änderung des Spreading Factors verändert die Sendezeit. Das Ergebnis allein belegt weder die Einhaltung regionaler Kanalzugangsregeln noch einer Fair-Use-Regel des Netzbetreibers.

Geräteklassen und Befehle

Alle drei Klassen können Downlinks empfangen. Ein Gerät der Klasse A hört nur in zwei kurzen Empfangsfenstern nach einem eigenen Uplink. Ein Befehl an einen Zähler, der stündlich meldet, kann daher bis zu einer Stunde warten. Klasse B ergänzt Empfangsfenster nach dem Beacon-Zeitplan des Gateways. Klasse C hört außer während eigener Übertragungen ständig, eignet sich deshalb für netzversorgte Aktoren und verbraucht für die meisten Batteriegeräte zu viel Energie. Keine Klasse garantiert eine Ende-zu-Ende-Zustellzeit (siehe LoRaWAN-Geräteklassen).

LoRaWAN-Fehlerbilder

• Ein unbestätigter Uplink erhält keine Quittierung, kann aber gemäß NbTrans wiederholt werden. LoRaWAN L2 1.0.4 sieht für bestätigte und unbestätigte Uplinks NbTrans Übertragungen vor; unbestätigte Wiederholungen enden, wenn ein gültiger Downlink in einem Class-A-Empfangsfenster eintrifft. Empfängt kein Gateway eine der Übertragungen, geht der Messwert verloren. Berücksichtigen Sie konfigurierte Wiederholungen im Sendezeit- und Batteriebudget. Wählen Sie Geräte, die bei jedem Uplink ein kumulatives Register wie Gesamt-kWh oder Gesamt-m³ senden. Ein verlorener Uplink kostet dann zeitliche Auflösung, nicht Energiemenge.
• Bei bestätigten Uplinks sendet der Netzwerkserver für jede Meldung einen Downlink als Bestätigung. Ein Gerät mit bestätigten 15-Minuten-Meldungen benötigt 96 Downlinks am Tag, weit über der Sandbox-Grenze von 10. Während eines Downlinks kann das Gateway keine Uplinks empfangen. Bestätigen Sie nur Meldungen, deren Verlust schwerer wiegt als der zusätzliche Funkverkehr.
• Adaptive Data Rate (ADR) senkt den SF bei guter Verbindungsreserve. Verschlechtert sich die Verbindung, steigt er wieder bis SF12. Ein bewegtes Gerät oder ein Gerät hinter einer meist offenen Tür kann nach SF12 wechseln und seine Batterie erheblich schneller entladen als geplant. Überwachen Sie den SF, den jedes Gerät dem Netzwerkserver meldet.
• Bei Activation by Personalisation (ABP) bleiben Sitzungsschlüssel fest. Setzt ein Gerät nach Stromunterbrechung seinen Frame Counter auf 0 zurück, ignoriert der Netzwerkserver alle Uplinks mit Zählerwerten unter dem zuletzt gesehenen. Das Gerät sendet scheinbar normal, aber nichts kommt an. Verwenden Sie Over-the-Air Activation (OTAA); bei jedem Join werden neue Sitzungsschlüssel und Zähler eingerichtet.
• Ein LoRaWAN-Gateway verliert die Rückverbindung. Prüfen Sie, ob es Uplinks während des Ausfalls zwischenspeichert. Leitet es nur in Echtzeit weiter, sind die Werte dieses Zeitraums verloren.

Beispiele für gemischte Standorte

Campus mit entfernten Zählern

Ein Hochschulcampus hat 20 Gebäude. In jedem Gebäude melden Strommonitore an den Verteilungen minütlich oder häufiger. Dafür eignet sich Zigbee. Gebäude mit mehr als 250 Geräten oder ohne Funkweg zu Nachbargebäuden erhalten ein eigenes Gateway.

Wasserzähler in Schächten, Gaszähler an der Grenze und Wetterstationen auf Dächern sind über den Campus verteilt. Sie melden alle 15–60 Minuten und haben weder nahe Versorgung noch Ethernet. Dafür eignet sich LoRaWAN. Positionieren Sie seine Gateways nach einer Funkmessung, einschließlich eines Prüfgeräts im tiefsten Schacht. Gehen Sie nicht davon aus, dass ein Gateway auf dem Dach den ganzen Campus abdeckt.

Portfolio mit mehreren Standorten

Ein Eigentümer überwacht 50 Gewerbegebäude. Die großen Gebäude haben jeweils ein Gateway und Zigbee-Mesh zur Stromkreismessung. Kleine Standorte wie Parkplätze und unbesetzte Technikräume benötigen nur den Hauptzählerstand und eine Temperatur. Ein batteriebetriebenes LoRaWAN-Impuls- oder Temperaturgerät, das an einen vorhandenen Netzwerkserver meldet, spart dort einen Gateway-Besuch je Standort. Prüfen Sie bei einem öffentlichen Netzwerkserver zuerst das Sendezeitbudget.

Fabrik mit Medienzählern im Außenbereich

Eine Lebensmittelfabrik nutzt Zigbee für die Strommessung jeder Produktionslinie. Draußen lesen LoRaWAN-Geräte Gaszähler, Brunnenwasserzähler und den Füllstand eines Heizöltanks. Führt Edge beide Datenquellen zusammen, stehen Gas, Wasser und Strom je Schicht auf derselben Zeitachse und der Standort kann Energie je Tonne Produkt berechnen.

Integrationsarchitektur

Zigbee-Weg. Zigbee-Gerät, ZGW-20 als Coordinator, Edge auf dem Gateway. Edge speichert die Werte lokal und arbeitet bei unterbrochener Verbindung nach außen weiter.

LoRaWAN-Weg. LoRaWAN-Gerät, LoRaWAN-Gateway, Netzwerkserver mit Nutzdatendekoder des Geräts, MQTT- oder HTTPS-Integration, Edge. Der Netzwerkserver kann privat oder öffentlich sein und dem Standort oder einem anderen Team gehören. Vereinbaren Sie vor dem Anschluss, wer sein Konto, die Geräteschlüssel und die Version des Dekoders verantwortet. Die LoRaWAN-Geräteliste und die Zigbee-Geräteliste im Geräteverzeichnis zeigen Anschlussweg und dokumentierte Messwerte jedes Modells anderer Hersteller.

Ein Standort kann für LoRaWAN Edge auch umgehen und beide Datenströme direkt an seine Plattform senden: Zigbee-Werte vom Gateway und LoRaWAN-Werte vom Netzwerkserver. In der Plattform gelten dieselben Regeln für Zeit und Auflösung.

Zeitstempel

Zigbee-Attributberichte und LoRaWAN-Uplinks tragen auf Protokollebene keine Messzeit, sofern das Gerät sie nicht in die Nutzdaten schreibt. Der Empfänger versieht jeden Wert mit einem Zeitstempel. Bei Zigbee ist das das Gateway, ein oder wenige Hops vom Gerät entfernt. Bei LoRaWAN hält der Netzwerkserver den Empfangszeitpunkt fest; die Integration kann die Nachricht Sekunden oder nach einem Ausfall Stunden später liefern. Ordnen Sie dem Wert die Empfangszeit des Netzwerkservers zu, nicht die Ankunftszeit bei Edge. Sonst erscheint ein erneut abgespielter Rückstau als Schwall von Messwerten zum Zeitpunkt der Wiederverbindung.

Firmwareupdates

Beide Netze können Gerätefirmware über Funk aktualisieren, aber mit sehr unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Der OTA-Leitfaden vergleicht Zigbee-OTA-Cluster und LoRaWAN-FUOTA und erklärt die Planung einer Updatekampagne.

Unterschiedliche Auflösungen

Minütliche Zigbee-Werte und halbstündliche LoRaWAN-Werte liegen nicht automatisch auf denselben Intervallen. Berechnen Sie für Verbrauch die Differenz kumulativer Register zwischen Intervallgrenzen. Addieren Sie keine momentanen Leistungswerte. Vergleichen Sie Zähler in einem Bericht nur auf einem gemeinsamen Intervall, etwa 30 Minuten. Zeigen Sie das Alter neben jedem Wert, damit eine Stunde alte LoRaWAN-Meldung nicht so aktuell wirkt wie eine einminütige Zigbee-Meldung.

Sicherheit

Zigbee verschlüsselt Netzverkehr mit einem 128-Bit-AES-Netzschlüssel, den alle Geräte im Netz teilen. Der Coordinator arbeitet als Trust Centre und übermittelt den Netzschlüssel beim Beitritt. Zigbee-3.0-Geräte müssen Install Codes unterstützen. Ein Install Code liefert je Gerät einen eindeutigen Link Key, der den Netzschlüssel beim Beitritt schützt. Ohne Install Code wird der Netzschlüssel mit einem öffentlich bekannten Standard-Link-Key gesendet. Wer während des Beitritts mithört, kann ihn dann abfangen. Öffnen Sie den Beitritt nur während der Inbetriebnahme und verwenden Sie Install Codes, sofern die Geräte sie unterstützen.

LoRaWAN 1.0.x nutzt für OTAA je Gerät einen Root AppKey. Jeder Join leitet daraus einen Network Session Key (NwkSKey) zur Integritätsprüfung durch den Netzwerkserver und einen Application Session Key (AppSKey) zur Verschlüsselung der Nutzdaten zwischen Gerät und Anwendungsserver ab. LoRaWAN 1.1 trennt den Root Key in NwkKey und AppKey und verwendet getrennte Netzwerk-Sitzungsschlüssel. Bei einem öffentlichen Netzwerkserver kann dessen Betreiber alle Schlüssel halten. Dokumentieren Sie, wer welchen Schlüssel verwaltet und wie das Gerät bei einem Wechsel des Netzwerkservers neue Schlüssel erhält.

Sichern Sie die Verbindung vom Netzwerkserver zu Edge wie jede MQTT- oder HTTPS-Integration mit TLS und Zugangsdaten. Der Leitfaden MQTTS: MQTT über TLS nennt die Inbetriebnahmeprüfungen.

Vor dem Rollout prüfen

Testen Sie zuerst die schwierigsten Zählerplätze, nicht nur die Punkte nahe einem Gateway. Vereinbaren Sie diese Abnahmeprüfungen mit Installationsteam und Plattformteam:

• Erfassen Sie Geräteidentität, Firmware, Einheiten, Skalierung und Meldeintervall je Punkt. Bei LoRaWAN erfassen Sie auch den SF, auf den sich jedes Gerät einpendelt.
• Vergleichen Sie empfangene Werte mit der Zähleranzeige oder einem Referenzgerät. Speichern Sie kumulative Register getrennt von berechnetem Verbrauch.
• Prüfen Sie, dass die Plattform einen fehlenden Wert als fehlend und nicht als null zeigt.
• Unterbrechen Sie nacheinander Funkverbindung, Gateway-Versorgung und Verbindung nach außen. Halten Sie fest, welche Komponente die Daten bewahrt und welche Lücken nicht nachträglich zu schließen sind.
• Prüfen Sie bei Befehlen den gemessenen Anlagenzustand, nicht nur die Bestätigung der Anwendung.
• Übergeben Sie die Verantwortung für Schlüssel, Netzwerkserver-Konten, Ersatzgeräte und Supportkontakte, bevor Sie das Konzept auf weitere Standorte übertragen.

Für weitere Entwurfsentscheidungen lesen Sie über IoT-Datenspeicherung und Architektur und Energiemanagement-Plattformen. Liegen Standortplan und Messpunktliste vor, kontaktieren Sie EpiSensor, um Mess- und Verbindungsanforderungen zu besprechen.